轨道客车转向架V型弹簧力学性能试验设计及应用

彭立群，林达文，王进，陈刚

(1.株洲时代新材料科技股份有限公司,湖南 株洲 412007；2.国家轨道交通高分子材料及制品质量监督检验中心(湖南)，湖南 株洲 412007)*

V型弹簧是轨道客车转向架一系悬挂中重要的金属橡胶弹性元件，具有减振效果好、体积小、质量轻、无磨耗、免维护等优点[1]，在装车使用前为获取V型弹簧的力学性能参数，需模拟实际工况设计试验装置对其进行性能试验.传统的试验设计为了保证试验装置的强度，往往采用了最保守或凭经验的设计方法，这种方法虽然结构强度满足试验要求，但所设计的试验装置笨重、操作不便、且存在较大安全风险.为此本文提出一种新型的轻量化设计方法，提高了试验效率、降低了风险.

目前轨道客车转向架一系悬挂主要分锥型弹簧式和V型弹簧式2种[2-6]，其中锥型弹簧式具有垂向、横向和纵向三向刚度匹配、体积小、安装方便等优点，同时可以通过加垫片的方式消除橡胶的垂向蠕变.V型弹簧采用组对以一定夹角的方式安装，这种结构设计将橡胶原来的纯剪切变形转换成压剪变形，使车辆一系悬挂不仅能获得较大的垂向刚度，同时获得匹配的横向和纵向刚度，提高了车辆乘坐舒适度，保证了横向和纵向定位功能.

试验标准主要参照TB/T2843-2015《机车车辆用橡胶弹性元件通用技术条件》执行，其中压缩高参照标准7.3.1定载荷下的尺寸试验，静刚度照标准7.3.3载荷与位移特性试验，动刚度参照标准7.3.4动态特性试验，蠕变参照标准7.3.7静态蠕变性能试验，疲劳参照标准7.3.9疲劳性能试验.

1 相关试验及现存问题

偏转和压扭试验：偏转试验设计在5000N·m液压式扭转油缸上进行，试验时固定试验装置的下安装座，对中间安装块施加偏转力矩，测试V型弹簧的偏转刚度，这种方式结构简单，安装方便，用于测试V型弹簧在自由状态下的偏转性能.压扭试验是指对V型弹簧同时施加垂向压缩载荷和水平扭转角度，测试V型弹簧在压扭载荷条件下的承载性能.压扭试验设计在12通道组加载试验系统中进行，其中V型弹簧组对安装，利用轴承座支撑，设计垂向加载油缸1对其施加载压缩载荷，垂向加载油缸2对力臂装置施加载压缩载荷转换成扭转力矩进组合加载试验，这种方式不仅可以进行压扭刚度试验，而且可以进行压扭疲劳试验.

低温动态试验：主要是测试V型弹簧在高寒条件下的动态承载性能，分预冷冻式和全冷冻式2种，预冷冻式是指事先将V型弹簧进行低温冷冻，达到规定冷冻时间后取出在常温条件下进行动态刚度试验.全冷冻式是指整个试验全部在低温环境下进行，完全模拟高寒运用工况，试验室可以根据自身的试验能力，选用不同的试验方法.

液压式刚度试验：试验设计在液压式四通道试验机上进行，垂向刚度通过垂直方向300kN油缸施加垂向压缩载荷进行垂向刚度试验，在进行横向和纵向刚度试验时，首先对V型弹簧施加恒定的压缩载荷，然后采用撑杆方式来支撑V型弹簧的内侧受力面，利用水平200kN油缸对V型弹簧施加水平载荷进行横向和纵向剪切刚度试验，这种方式试验安装复杂、操作不便、风险高，同时液压试验机的精度难以满足静刚度试验要求，且试验是采用百分表间隔记录变形，无法形成完整的载荷与变形滞回曲线.

改进前机械式刚度试验：试验设计二维试验机上进行试验，其中垂向和水平载荷是通机械式丝杆传动方式加载，这种方式载荷和位移精度高、载荷值稳定，适用于静刚度试验.垂向刚度通过垂直方式的传动机构施加压缩载荷，同时利用外接位移传感器测量V型弹簧的橡胶变形，消除了工装和试验机本身弹性变形对试验数据的影响，横向、纵向是分别采用垂直和水平二套加载系统分别施加压缩和剪切载荷，横向和纵向只是调整产品的加载方向，原理基本一致.这种方式虽然满足了测试精度和自动记录数据的要求，但由于试验工装结构设计存在的不足，导致试验无法进行大于30kN的剪切和正反加载试验，且单向加载都存在试验打滑现象，无法满足试验要求.

改进后机械式刚度试验：主要从试验安装和工装轻量化两个方面入手.试验安装：传统的固定方式是采用一种打压板的方式进行固定，而这种固定方式只适用于小剪切载荷的横向或纵向刚度试验，因为这种方式是通过增加工装与试验机平台摩擦力的方式进行剪切试验，当剪切载荷大于摩擦力时，剪切试验就会打滑从而无法达到最大设计剪切载荷，难以获取一个完整的载荷变形曲线图.优化后的工装分别从工装的上下固定板的横向和纵向设计了U型槽，通过T型槽用螺栓与试验机平台进行锁紧状态下的紧固连接，从而满足大载荷剪切试验的要求.轻量化：主要是在试验工装的承载件上设计减重孔和轻量化结构，同时通过有限元分析软件进行结构强度的分析计算，保证强度满足试验要求，改进前试验详见图1(a)，改进后试验详见图1(b).

图1 V型弹簧力学性能试验

2 轻量化工装设计和试验分析

2.1 轻量化结构设计

新型设计方法分结构设计和轻量化二部分.结构设计：由于V型弹簧的特独的结构，其中结构设计涉及扫描方法，包括扫描轨迹和扫描截面2个关键步骤，扫描轨迹是指在已建立的长方体模型上根据V型弹簧组对安装的角度要求，设计一条带有角度的扫描轨迹线，定义好扫描的角度和线段的长度.扫描截面是指以扫描轨道的端点建立对称轴，绘制V型弹簧的安装面沿扫描线进行扫描去材料，形成所需的试验工装模型.

轻量化设计：通过在试验工装非主要承载区域去材料，同时构成一种加强筋结构，通过在V型块、V型座和底板设计减重孔等手段来实现减重和保持结构强度的目的.改进前工装质量390 kg，结构如图2所示，试验安装时需要2名试验人员借助辅助工具花费40 min.同时试验只考虑垂向加载，没有设计横向和纵向试验的安装接口.改进后试验工装208kg，减重182 kg试验只需1名试验人员花费10 min，且大大降低操作风险，试验工装主要由上平板、V型块、吊环、V型弹簧、挡板、V型弹簧、V型座和底板组成，如图3所示.

图2 改进前试验工装

图3 改进后试验工装

2.2 分析计算

静态性能分析：为验证减重后试验工装强度和刚度是否满足试验要求，对试验工装关键承载件进行分析计算，工装选用的材料是Q355B，密度7 800 kg / m3，弹性模量为 210 GPa，泊松比为0.3，其中关键承件强度和刚度分析结果表1，结果满足试验要求.

表1 静态性能分析结果

模态性能分析：为获取减重后工装的固有频率和结构的振型，对工装关键承载件安装座进行模态分析，图4(a)为安装座的第1阶振型，模态频率为391 Hz，拉杆产生Y方向向上弯曲变形；图4(b)为安装座的第2阶振型，模态频率为394Hz，拉杆产生Y方向向下弯曲变形；图4(c)为安装座的第3阶振型，模态频率418 Hz，拉杆沿Z向向内侧产生弯曲变形；图4(d)为安装座的第4阶振型图，模态频率为421 Hz，拉杆沿Z向向左侧产生弯曲变形.结果表明：工装最低固有频率大于试验频率10 Hz， 在动态和疲劳试验不会产生共振，同时在进行高频试验时，需加强拉杆的结构强度.

图4 安装座四阶振型图

2.3 试验及分析

2.3.1 垂向性能

(1)试验方法

垂向以100 kN/min加载速度加载至100 kN，连续加载4个循环，记录第4个循环的载荷与变形曲线，计算30～50 kN间的割线刚度.

(2) 结果与分析

图5是3组(共6件)V型弹簧的垂向刚度曲线，其中1#2#、3#4#、5#6#的垂向刚度分别为1.64 、1.52 、1.64 kN/mm，载荷与变形曲线光滑无异常，这一方向表明产品粘接性能稳定，另一方面表明试验装置的强度和刚度满足垂向试验要求.

图5 垂向载荷与变形曲线

2.3.2 横向性能

(1)试验方法

垂向加载39kN保持不变，横向以55kN/min施加±55kN载荷，连续加载4个循环，记录第4个循环的载荷与变形曲线，计算(-25～+25)kN间的割线刚度.

(2)结果与分析

图6是改进前V型弹簧组对横向刚度曲线，由于试验装置无法与试验机上下平台形成有效的固定，只是通过垂向加载产生的摩擦力进行横向剪切试验，在小载荷加载阶段橡胶的载荷随变形增加而递增，当横向载荷大于25 kN后，试验出现打滑现象，此时的橡胶变形增加载荷不再继续变大，同时在反向加载过程中同样存在打滑现象，导致反向的变形仅为正向的一半，这种方式测试的刚度曲线显然是无法满足试验的要求.但对于一些小载荷的横向刚度试验，可以采取首先预载消除横向接触间隙，然后只进行正向或反向单一方向加载刚度试验，同时横向载荷需小于剪切摩擦力.

图6 横向载荷与变形曲线(改进前)

图7是改进后V型弹簧横向刚度曲线，相比改进后滞回曲线，改进后的曲线成形一个正常的载荷与变形滞回圈，没有出现打折和打滑现象、光滑无异常，结果表明改进后的试验装置不仅满足了横向正反加载试验的要求，而且试验装置的强度和刚度满足横向试验的要求，同时V型弹簧在横向压剪载荷作用下，橡胶与金属具有较好的粘接性能.其中1#2#、3#4#、5#6#的横向刚度分别为10.52、8.38 、8.46 kN/mm.

图7 横向载荷与变形曲线(改进后)

2.3.3 纵向性能

(1)试验方法

垂向加载39kN保持不变，横向以40 kN/min施加±40 kN载荷，连续加载4个循环，记录第4个循环的载荷与变形曲线，计算(-25～+25) kN间的割线刚度.

(2)结果与分析

纵向是V型弹簧的主要承载方向，也是最能验证试验装置强度的项点，图8是3组V型弹簧的纵向刚度曲线，3组产品对应的纵向刚度分别为22.68、21.2 、21.16 kN/mm.纵向刚度曲线表明V型弹簧的纵向载荷基本随纵向变形线性递增，曲线对称性较好且无异常，这表明新型轻量化试验装置的强度和刚度满足纵向试验的要求，同时V型弹簧在纵向压剪载荷下橡胶与金属无粘接失效，具有较好的纵向力学性能.

图8 纵向载荷与变形曲线

2.3.4 蠕变、疲劳性能

(1)试验方法

蠕变试验：垂向加载39 kN，保载168 h，垂向载荷在30 s内完成加载，1 min后开始记录蠕变量，前2 h每10 min记1次，以后按每2 h记录1次蠕变量.

疲劳试验：垂向加载(39±15) kN，频率0.5Hz，循环加载200万次，观察金属与橡胶是否出现粘接破坏等.

(2)结果与分析

蠕变试验：V型弹簧168h后的蠕变量为2.21mm，在蠕变试验加载过程中，V型弹簧各层橡胶发生均匀的压缩变形，且在加载初期最为明显，随着时间的延长变形趋于稳定，卸载后产品基本恢复到初始状态，试验结果一方面表面V型弹簧具有较好的抗蠕变性能，另一方面表明轻量化后的试验工的结构和强度均满足蠕变试验要求.

疲劳试验：V型弹簧疲劳试验采用的是预载加振幅的压缩型控制方式，即V型弹簧始终是处于压剪切承载状态，在疲劳试验加载过程中，橡胶始终是压缩和恢复2个状态交替进行，疲劳试验后金属与橡胶未出现粘接失效，金属未产生异常变形，橡胶表面无裂纹，试验结果不仅表明V型弹簧具有较好的抗疲劳性能，而且表明轻量化后的试验工装结构和强度均满足疲劳试验要求.

3 结论

(1)通过分析轨道客车转向架一系悬挂及V型弹簧结构，基于结构和原理结合现有试验方案，提出一种新型的符合实际工况的轻量化试验装置设计方法，为同类弹性元的的试验设计提供参考;

(2) 轻量化后的试验工装减重182kg，且工装强度和刚度均满足刚度、蠕变和疲劳试验要求，达到了降低劳动强度、操作风险，提高了试验效率的目的，解决了横向和纵向刚度曲线打滑和无法进行正反推拉试验的难题，同时大大提高试验数据准确性.